CH636987A5

CH636987A5 - FUEL CELL SYSTEM.

Info

Publication number: CH636987A5
Application number: CH837378A
Authority: CH
Inventors: Paul John Damiano
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1977-08-15
Filing date: 1978-08-07
Publication date: 1983-06-30
Also published as: GB2002571B; SE7808431L; DE2834551C2; FR2400778A1; BE869529A; BR7805084A; GB2002571A; IT1098366B; SE446140B; IL55310A0; JPS54115739A; US4129685A; IT7826645A0; NL7808200A; IL55310A; AU3874178A; CA1105989A; DE2834551A1; AU517848B2; JPS6130385B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brenn- -Stoffzellenanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. The present invention relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 1.

Im allgemeinen besteht die Brennstoffzelle aus einer 5 Anode, einer Kathode mit einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Zwischenraum, in welchem sich der Elektrolyt befindet. Eine jede Elektrode umfasst eine dünne Katalysatorschicht auf der dem Elektrolyten zugewandten . Seite, wobei diese Katalysatorschicht sich auf einer Träger-lo schicht, im allgemeinen Substrat genannt, befindet. Hinter dem Substrat ist eine Kammer für Reaktionsgas vorgesehen. Das Substrat ist, senkrecht zu seiner Ebene, gasdurchlässig so dass Reaktionsgas aus der Kammer hinter dem Substrat durch das Substrat an die Katalysatorschicht diffundieren kann. An 15 der Grenzfläche Gas/Elektrolyt/Katalysator findet eine elektrochemische Reaktion statt, wobei Ionen von einer Elektrode zu der entgegengesetzten Elektrode durch den Elektrolyten wandern. In general, the fuel cell consists of an anode, a cathode with an intermediate space arranged between the anode and the cathode, in which the electrolyte is located. Each electrode comprises a thin catalyst layer on the one facing the electrolyte. Side, wherein this catalyst layer is on a support lo layer, generally called a substrate. A chamber for reaction gas is provided behind the substrate. The substrate is gas-permeable, perpendicular to its plane, so that reaction gas can diffuse from the chamber behind the substrate through the substrate to the catalyst layer. An electrochemical reaction takes place at the gas / electrolyte / catalyst interface, with ions migrating from one electrode to the opposite electrode through the electrolyte.

Um wirtschaftlich verwertbare Strommengen zu erhalten, 20 müssen eine Anzahl solcher Einzelzellen in einer Anlage zusammengebaut und elektrisch in Serie miteinander verbunden werden. Hierbei werden gasundurchlässige, elektrisch leitfähige Platten zwischen einer jeden Anode einer Zelle und der Kathode der benachbarten Zelle eingebaut. Im allgemeinen 25 weisen diese Trennplatten Rippen (oder andersartig ausgebildete Vorsprünge), welche an den jeweiligen Substraten anliegen, auf einer jeden Seite auf. Durch diese Rippen kann der Strom aus einer Zelle zur benachbarten Zelle fliessen, wobei diese Rippen auch Reaktionsgaskammern (wie z.B. Durch-30 gänge, Kanäle) hinter einem jeden Substrat bilden. Somit wird das Gas über die gesamte Oberfläche des Elektrodensubstrates verteilt. Die Rippen oder Vorsprünge verleihen der Brennstoffzellenanlage auch die notwendige strukturelle Starrheit. Auch stützen diese Rippen oder Vorsprünge die Elektrode, 35 welche meist so dünn als möglich ausgebildet wird. Eine solche Brennstoffzellenanlage wurde z.B. in der US-Patentschrift Nr. 3 994748 beschrieben. In order to obtain economically usable amounts of electricity, 20 a number of such individual cells must be assembled in a system and electrically connected to one another in series. Gas-impermeable, electrically conductive plates are installed between each anode in one cell and the cathode in the neighboring cell. Generally, these separator plates have ribs (or other projections) which abut the respective substrates on each side. The current can flow through these fins from one cell to the neighboring cell, these fins also forming reaction gas chambers (such as passages, channels) behind each substrate. The gas is thus distributed over the entire surface of the electrode substrate. The ribs or protrusions also give the fuel cell system the necessary structural rigidity. These ribs or projections also support the electrode 35, which is usually made as thin as possible. Such a fuel cell system was e.g. in U.S. Patent No. 3,994,748.

Die Herstellung von Rippenplatten ist jedoch kostspielig und durch die Rippen (oder andersartig ausgebildete Vor-40 spränge) treten weitere Probleme auf, wie z.B. eine schlechte Verteilung des Reaktionsgases an die Katalysatorschicht. An den Stellen, an welchen die Rippen an dem Elektrodensubstrat anliegen wird, z.B. ein direkter, senkrechter Durchfluss (durch die Ebene) des Rekationsgases an die Katalysatorschicht 45 unterbunden. Das Reaktionsgas muss somit durch die Ebene ' des Substrates unter die Rippen diffundieren, um so an den Katalysator, welcher sich unmittelbar unter den Rippen befindet, zu gelangen. Die Diffusion der Reaktionsgase in der Ebene des Substrates wird noch dadurch erschwert, dass die so Substratschicht auch unmittelbar unter den Rippen komprimiert wird und dadurch dass die Substratschicht auch im unkomprimierten Zustand nur eine Dicke von einigen Millimetern oder weniger aufweist. However, the production of ribbed plates is expensive and the ribs (or other pre-shaped projections) cause further problems, e.g. poor distribution of the reaction gas to the catalyst layer. At the locations where the ridges will abut the electrode substrate, e.g. a direct, vertical flow (through the plane) of the reaction gas to the catalyst layer 45 is prevented. The reaction gas must therefore diffuse through the plane of the substrate under the ribs in order to reach the catalyst which is located directly under the ribs. Diffusion of the reaction gases in the plane of the substrate is made even more difficult by the fact that the substrate layer in this way is also compressed directly under the ribs and by the substrate layer only having a thickness of a few millimeters or less even in the uncompressed state.

Die Spannung einer Brennstoffzellenanlage, welche die 55 Summe der Spannungsgewinne der verschiedenen Zellen darstellt, ist eine Funktion des von einer jeden Zelle erzeugten Stromes. Der Strom gelangt senkrecht zur Ebene der einzelnen Zellen von einem Ende der Anode an das gegenüberliegende Ende. Die Stromdichte einer Brennstoffzellenanlage ist gleich 60 dem Strom dividiert durch den Querschnitt, durch welchen der Strom in einer beliebigen Querschnittsebene wandern muss. Die Stromdichte ist eine Konstante bei einem gegebenen Querschnitt und einem gegebenen Strom. Falls der Querschnitt in einer Querschnittsebene kleiner wird und die 65 erzeugte elektrische Energie konstant gehalten wird, so steigt die Stromdichte in der Querschnittsebene. Spannungsverluste sind direkt proportional zur Stromdichte, so dass bei konstantem Strom ein Spannungsverlust auftritt, falls der Querschnitt, The voltage of a fuel cell system, which is the sum of the voltage gains of the various cells, is a function of the current generated by each cell. The current passes perpendicular to the plane of the individual cells from one end of the anode to the opposite end. The current density of a fuel cell system is equal to 60 the current divided by the cross-section through which the current must travel in any cross-sectional plane. The current density is a constant for a given cross section and current. If the cross section in a cross-sectional plane becomes smaller and the electrical energy generated is kept constant, the current density in the cross-sectional plane increases. Voltage losses are directly proportional to the current density, so that a voltage loss occurs at constant current if the cross-section,

3 3rd

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durch welchen der Strom fliessen muss, reduziert wird. Eine solche Reduktion des Querschnittes wird an der Grenzfläche zwischen den Elektroden und den Rippen oder andersartig ausgebildeten Vorsprüngen der Trennplatten erhalten, da die Kontaktfläche zwischen den Trennplatten und Elektroden nur etwa 50% oder weniger des Elektrodenquerschnitts ausmacht. Da weiterhin ein perfekter Kontakt zwischen flachen, aufeinander abgestimmten Oberflächen unmöglich ist, entstehen auch Kontaktverluste an einer jeden Grenzfläche zwischen benachbarten Komponenten, insbesondere wenn diese Komponenten nicht miteinander verbunden sind. through which the current must flow is reduced. Such a reduction in cross section is obtained at the interface between the electrodes and the ribs or other projections of the separating plates, since the contact area between the separating plates and electrodes makes up only about 50% or less of the electrode cross section. Since perfect contact between flat, coordinated surfaces is still impossible, contact losses also occur at each interface between adjacent components, especially if these components are not connected to one another.

In der Vergangenheit wurde immer wieder versucht, befriedigende Lösungen für diese Probleme zu finden, ohne dass diese Untersuchungen bis jetzt von Erfolg gekrönt waren. In the past, attempts have been repeatedly made to find satisfactory solutions to these problems without these studies having so far been unsuccessful.

Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenanlage mit grösseren Kontaktflächen zwischen den einzelnen Zellenkomponenten, zur Vermeidung von Stromverlusten zu erhalten. Weiterhin soll die Anlage wirtschaftlicher hergestellt werden können als bekannte Anlagen. Durch die vorliegende Erfindung sollen auch in der Höhe oder Länge kleiner dimensionierte Brennstoffzellenanlagen hergestellt werden können, wobei gleichzeitig eine verbesserte Verteilung der Reaktionsgase an die Katalysatorschichten erreicht werden soll. Diese Ziele werden bei einer Brennstoffzellenanlage der gattungsgemässen Art durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definierten Merkmale erreicht. It is therefore an object of the present invention to obtain a fuel cell system with larger contact areas between the individual cell components in order to avoid power losses. Furthermore, the system should be able to be manufactured more economically than known systems. The present invention is also intended to be able to produce smaller-sized fuel cell systems in terms of height or length, at the same time as an improved distribution of the reaction gases to the catalyst layers. These goals are achieved in a fuel cell system of the generic type by the features defined in the characterizing part of claim 1.

Durch die vorliegende Erfindung werden die Gaskammern zwischen der Trennplatte und den Elektroden, welche in der Vergangenheit von den Rippenplatten gebildet wurden, hinfällig. Die Reaktionsgase werden z.B. an einem Punkt am Rande der Gasverteilerschicht parallel zur Ebene der Gasverteilerschicht in die Zelle eingeführt. Die Gasverteilerschicht ist, sowohl in dieser Richtung als auch senkrecht zur Ebene der Schicht, hochporös, so dass Gas an die gesamte Oberfläche der Katalysatorschicht geleitet wird. Ein ununterbrochener Kontakt (i.e. keine Rippen) zwischen dem porösen Material und der Trennplatte führt zu einer wesentlichen Vergrösserung der Kontaktfläche zwischen diesen Komponenten, wodurch Spannungsverluste vermieden und die Stromverteilung durch die Anlage verbessert werden. Das poröse Material kann auch als Substratmaterial für die Katalysatorschicht verwendet werden. The present invention eliminates the gas chambers between the partition plate and the electrodes which have been formed by the fin plates in the past. The reaction gases are e.g. inserted into the cell at a point on the edge of the gas distribution layer parallel to the plane of the gas distribution layer. The gas distribution layer is highly porous, both in this direction and perpendicular to the plane of the layer, so that gas is conducted to the entire surface of the catalyst layer. An uninterrupted contact (i.e. no ribs) between the porous material and the separating plate leads to a substantial increase in the contact area between these components, whereby voltage losses are avoided and the current distribution through the system is improved. The porous material can also be used as a substrate material for the catalyst layer.

Es ist zu erwarten, dass die Herstellungskosten solcher Zellen niedriger liegen, als dies in der Vergangenheit der Fall war, da jetzt flache, dünne Blätter oder Schichten aus gasundurchlässigem Material als Trennplatten eingesetzt werden können. Im Gegensatz hierzu ist die Gasverteilerschicht natürlich einiges stärker als die bekannten Elektrodensubstratschichten. Auch weisen die Gasverteilerschichten grössere Poren auf als die bekannten Elektrodensubstrate, so dass ein im wesentlich freier Gasdurchfluss parallel zur Ebene der Verteilerschicht ohne unannehmbare Druckverluste ermöglicht wird. Die stärkeren Gasverteilerschichten übernehmen hierbei die Funktion der Rippenplatten, indem sie der Anlage die strukturelle Starrheit verleihen. Auch ist zu erwarten, dass die Höhe der Anlage durch Verwendung der Komponenten der Erfindung erniedrigt wird. It is expected that the manufacturing costs of such cells will be lower than in the past, since flat, thin sheets or layers of gas-impermeable material can now be used as separating plates. In contrast, the gas distribution layer is of course somewhat thicker than the known electrode substrate layers. The gas distributor layers also have larger pores than the known electrode substrates, so that an essentially free gas flow parallel to the plane of the distributor layer is made possible without unacceptable pressure losses. The thicker gas distribution layers take over the function of the ribbed plates by giving the system the structural rigidity. It is also expected that the height of the plant will be reduced by using the components of the invention.

Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das poröse Material zu beiden Seiten der Trennplatte an diese gebunden werden, und die Katalysatorschichten können auf die entgegengesetzten Seiten dieser porösen Materialien gebunden werden, so dass eine einzige, aus diesen Komponenten zusammengesetzte, Brennstoffzellenkomponente entsteht. Eine elektrolytspeichernde Matrixschicht könnte ebenfalls an eine der Katalysatorschichten gebunden werden, so dass ein Brennstoffzellenblock für den Aufbau einer Brennstoffzellenanlage zur Verfügung steht. According to a further aspect of the present invention, the porous material can be bonded to both sides of the separating plate, and the catalyst layers can be bonded to the opposite sides of these porous materials, so that a single fuel cell component composed of these components is produced. An electrolyte-storing matrix layer could also be bound to one of the catalyst layers, so that a fuel cell block is available for the construction of a fuel cell system.

In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen soll der Ausdruck «Schicht» im weitesten Sinne des Wortes ausgelegt werden, so dass er dünne oder dicke Überzüge sowie selbstragende Platten umfasst. Obschon der Ausdruck «Schicht» in der Einzahl verwendet wird, sollen hierunter auch mehrschichtige Materialien verstanden werden. Zum besseren Verständnis wird Bezug genommen auf die nachfolgende Beschreibung von Beispielen und auf die beiliegenden Figuren wobei In the following description and in the claims, the term “layer” is to be interpreted in the broadest sense of the word, so that it includes thin or thick coatings and self-supporting plates. Although the term "layer" is used in the singular, this should also be understood to mean multi-layer materials. For a better understanding, reference is made to the following description of examples and to the accompanying figures

Fig. 1 einen Querschnitt einer Brennstoffzellenanlage gemäss der vorliegenden Erfindung und Fig. 1 shows a cross section of a fuel cell system according to the present invention and

Fig. 2 einen Querschnitt einer Brennstoffzellenanlage gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellen. 2 represent a cross section of a fuel cell system according to a further aspect of the present invention.

Die Figur 1 zeigt eine Brennstoffzellenanlage gemäss einem Beispiel der vorliegenden Erfindung. Die Zellenanlage 10 umfasst eine Anzahl Brennstoffzellen 12, welche elektrisch in Serie über eine Belastung 14 verbunden sind. Elektrisch leitfähige Trennplatten 16 sind zwischen benachbarten Zellen angeordnet, um ein Vermischen der Reaktionsmittel, welche sich auf den beiden Seiten dieser Trennplatte befinden, zu verhindern. Eine jede Zelle 12 umfasst eine Anodenkatalysator-schicht 18 und eine Kathodenkatalysatorschicht 20, welche durch eine elektrolytspeichernde Matrixschicht 22, welche zwischen und in Kontakt mit den Oberflächen der Katalysatorschicht liegt, getrennt sind. Eine jede Zelle 12 umfasst auch eine poröse Komponente 24 hinter der Anodenkatalysator-schicht 18, welche den Zwischenraum zwischen dieser Katalysatorschicht und der Trennplatte 16 füllt sowie eine poröse Komponente 26, welche hinter der Kathodenkatalysatorschicht 20 liegt und den Zwischenraum zwischen dieser Schicht und der Trennplatte 16 füllt. Die porösen Komponenten 24 und 26 befinden sich dabei im wesentlichen in ununterbrochenem Kontakt mit den Oberflächen der ihnen zugeordneten Katalysatorschichten und Trennplatten. FIG. 1 shows a fuel cell system according to an example of the present invention. The cell system 10 comprises a number of fuel cells 12 which are electrically connected in series via a load 14. Electrically conductive separation plates 16 are arranged between adjacent cells in order to prevent mixing of the reactants which are located on the two sides of this separation plate. Each cell 12 includes an anode catalyst layer 18 and a cathode catalyst layer 20 separated by an electrolyte storage matrix layer 22 which is between and in contact with the surfaces of the catalyst layer. Each cell 12 also includes a porous component 24 behind the anode catalyst layer 18, which fills the space between this catalyst layer and the separating plate 16, and a porous component 26, which lies behind the cathode catalyst layer 20 and the space between this layer and the separating plate 16 fills. The porous components 24 and 26 are essentially in continuous contact with the surfaces of the catalyst layers and separating plates assigned to them.

Gemäss der vorliegenden Erfindung weisen die porösen Komponenten 24,26 Gasverteilerschichten 28,30 auf. Eine jede Gasverteilerschicht liegt hierbei im wesentlichen in ununterbrochenem Kontakt an der gesamten Oberfläche der ihr zugeordneten Katalysatorschicht 18, 20 an. Gemäss dieser Ausführungsform der Erfindung umfasst eine jede Zelle 12 eine Elektrolytspeicherschicht 32 auf der Anodenseite der Zelle, in welche überschüssiger Elektrolyt während dem Betrieb der Anlage gespeichert wird. Die Speicherschicht 32 ist eine flache, kontinuierliche Schicht aus einem hydrophilen Material, welches sich zwischen der Trennplatte 16 und der Gasverteilerschicht 28 befindet und in kontinuierlichem Kontakt an den Oberflächen der Gasverteilerschicht und der Trennplatte anliegt. Die Gasverteilerschicht 28 weist an gleich-mässig verteilten Punkten eine hydrophile Tränkung auf, so dass kleinporige Durchgänge 34 durch die Gasverteilerschicht zur Katalysatorschicht 18 und der Speicherschicht 32 vorliegen wie dies z.B. in den Figuren 2 oder 3 der US-Patentschrift Nr. 3 905 832 der Anmelderin beschrieben wurde. According to the present invention, the porous components 24, 26 have gas distribution layers 28, 30. Each gas distribution layer is essentially in continuous contact with the entire surface of the associated catalyst layer 18, 20. According to this embodiment of the invention, each cell 12 comprises an electrolyte storage layer 32 on the anode side of the cell, in which excess electrolyte is stored during the operation of the system. The storage layer 32 is a flat, continuous layer of a hydrophilic material which is located between the partition plate 16 and the gas distribution layer 28 and which is in continuous contact with the surfaces of the gas distribution layer and the partition plate. The gas distribution layer 28 has a hydrophilic impregnation at evenly distributed points, so that small-pore passages 34 are present through the gas distribution layer to the catalyst layer 18 and the storage layer 32, as is the case, for example, in Figures 2 or 3 of applicant's U.S. Patent No. 3,905,832.

Speicher für überschüssige Elektrolyten sind gut bekannt. So beschreibt z.B. die US-Patentschrift der Anmelderin Nr. 3634139 einen ausserhalb der Zelle liegenden Elektrolytspeicher. In einer Brennstoffzelle mit einem ausserhalb der Zelle liegenden Speicher wird natürlich eine Speicherschicht 32 nicht benötigt. Weitere Arten und Typen von Speicherschichten sind z.B. in den US-Patentschriften 3748179 und 3905832 beschrieben. Gemäss diesen Patentschriften weisen die Brennstoffzellen Speichermaterial hinter wenigstens einem der Elektrolyten der Zelle auf. Es wird jedoch darauf hingewiesen, Excess electrolyte stores are well known. For example, U.S. Patent No. 3,634,139 discloses an electrolyte storage located outside the cell. A storage layer 32 is of course not required in a fuel cell with a storage located outside the cell. Other types and types of storage layers are e.g. in U.S. Patent Nos. 3748179 and 3905832. According to these patents, the fuel cells have storage material behind at least one of the cell's electrolytes. However, it should be noted

dass hinter einer jeden Elektrode auch immer eine Reaktionsgaskammer angeordnet ist. Die in Figur 1 dargestellte Anordnung ist wesentlich einfacher als die Anordnungen, welche in den oben genannten US-Patentschriften beschrieben wurden. that a reaction gas chamber is always arranged behind each electrode. The arrangement shown in Figure 1 is much simpler than the arrangements described in the above-mentioned US patents.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

636 987 636 987

4 4th

Die Gasverteilerschichten 28, 30 sind sowohl senkrecht als auch parallel zur Ebene der Schichten (Oberflächen) sehr gasdurchlässig. Reaktionsgas wird den Katalysatorschichten so zugeführt, dass dieses Gas in einem Punkt am Rande der Gasverteilerschicht 28,30 in diese Schichten eingeleitet wird, wie s in der Figur mit Pfeilen 31 gekennzeichnet. Das Reaktionsgas wird durch die Zelle (horizontal in der Figur) und zur Katalysatorschicht (vertikal in der Figur) durch die Poren der Gas-verteilerschichten geleitet und nicht umgesetzte Reaktionsmittel werden am entgegengesetzten Ende der Zelle an einem io Punkt, durch Pfeile 33 gekennzeichnet, abgeführt. Die kritischen Eigenschaften der Gasverteilerschichten müssen dabei so bemessen sein, dass die Dicke, die Anzahl der Poren und die Porengrösse einen im wesentlichen freien Durchfluss der Reaktionsgase, sowohl in paralleler als auch in senkrechter 15 Richtung zu den Oberflächen der Schicht, erlauben. Natürlich müssen die Gasverteilerschichten auch die weiteren Bedingungen von Brennstoffzellenkomponenten erfüllen, wie z.B. elektrische Leitfähigkeit, thermische Leitfähigkeit, Verträglichkeit mit dem Elektrolyten usw. Der Ausdruck «im wesentlichen 20 freier Durchfluss» soll angeben, dass der Druckverlust über die Gasverteilerschicht (sowohl in als auch senkrecht zur Ebene) in annehmbar niedrigen Grenzen liegt, wobei diese Grenzen von den Zellenbestandteilen, der Zellenstruktur als auch von der Verwendung der Anlage usw. abhängen. So wird 25 z.B. bei einem höheren Druckverlust von dem Eingang der Reaktionsgase in die Gasverteilerschicht bis zum Ausgang der Reaktionsgase aus dieser Schicht mehr Energie aufgewendet werden müssen, um die Gase durch die Zelle zu pumpen. Die zum Pumpen notwendige Energie ist jedoch verloren, so dass 30 die Wirksamkeit des Systems erniedrigt wird. Höhere Druckverluste vom Eingang zum Ausgang führen auch zu höheren Druckunterschieden über die Matrixschicht 22, so dass entweder Gas von einer Seite der Matrix auf die andere Seite gelangt oder Elektrolyt durch den zu hohen Druckunterschied 35 aus der Matrix herausgedrückt wird. The gas distribution layers 28, 30 are very gas-permeable both perpendicularly and parallel to the plane of the layers (surfaces). Reaction gas is fed to the catalyst layers in such a way that this gas is introduced into these layers at a point on the edge of the gas distribution layer 28, 30, as indicated by arrows 31 in the figure. The reaction gas is passed through the cell (horizontal in the figure) and to the catalyst layer (vertical in the figure) through the pores of the gas distribution layers, and unreacted reactants are removed at the opposite end of the cell at an io point, indicated by arrows 33 . The critical properties of the gas distribution layers must be such that the thickness, the number of pores and the pore size allow an essentially free flow of the reaction gases, both in a parallel and in a perpendicular direction to the surfaces of the layer. Of course, the gas distribution layers must also meet the other conditions of fuel cell components, e.g. electrical conductivity, thermal conductivity, compatibility with the electrolyte etc. The expression "essentially 20 free flow rate" is intended to indicate that the pressure loss across the gas distribution layer (both in and perpendicular to the plane) is within acceptably low limits, these limits being limited by the Cell components, the cell structure and the use of the system, etc. depend. So 25 becomes e.g. with a higher pressure loss from the entry of the reaction gases into the gas distribution layer to the exit of the reaction gases from this layer, more energy has to be used to pump the gases through the cell. However, the energy required for pumping is lost, so that the effectiveness of the system is reduced. Higher pressure losses from the inlet to the outlet also lead to higher pressure differences across the matrix layer 22, so that either gas passes from one side of the matrix to the other side or electrolyte is pressed out of the matrix by the excessively high pressure difference 35.

In einer mit Phosphorsäure als Elektrolyten betriebenen Brennstoffzellenanlage gemäss der vorliegenden Erfindung können die Gasverteilerschichten z.B. aus dem in der US-Patentschrift 3972375 beschriebenen faserartigen Kohlenstoffpa- 40 piermaterial bestehen. Hierbei müsste jedoch das Substrat eine grössere Stärke aufweisen, auch müssten bei der Herstellung des Substrates Kohlenstoffaser eines grösseren Durchmessers eingesetzt werden, um so grössere Poren zu erhalten. Unter der Annahme einer quadratischen Zelle von 47 cm Seitenlänge, 45 Reaktionsmitteln bei 3,5 bar, Phosphorsäure als Elektrolyten, einer Betriebstemperatur von 190°C, einer Sauerstoffumwandlung von 0,7 und einer Wasserstoffumwandlung von 0,9 wurden Berechnungen durchgeführt. Die Reaktionsmittelumwandlung (H2 oder O2) ist der Massendurchsatz des Reaktions-so mittels an der Anode bzw. der Kathode, welcher während dem Betrieb der Zelle umgesetzt wird dividiert durch den Massendurchsatz der Reaktionsmittel in die Zelle. Unter diesen Bedingungen wurde berechnet, dass ein Kohlenstoffpapiersubstrat (hergestellt nach der oben genannten US-Patent- 55 schrift) eine Porosität von 80%, eine Stärke von 1,3 mm und einen Druckabfall von einem Rand zum andern (parallel zur Ebene der Oberfläche) von 1,3 cm Wasser bei einer Stromdichte von 0,11 A/cm2 aufweisen müsste, falls der Durchmesser der Kohlenstoffasern 0,25 mm für die Gasverteilerschicht 60 für Sauerstoff und 0,20 mm für die Gas verteilerschicht für Wasserstoff betragen würde. Grössere Stärken und grössere Faserdurchmesser wären auch annehmbar. In a fuel cell system operated with phosphoric acid as the electrolyte according to the present invention, the gas distribution layers can e.g. consist of the fibrous carbon paper material described in US Pat. No. 3,972,375. In this case, however, the substrate would have to have a greater thickness, and carbon fiber of a larger diameter would also have to be used in the production of the substrate in order to obtain larger pores. Calculations were carried out assuming a square cell with a side length of 47 cm, 45 reactants at 3.5 bar, phosphoric acid as the electrolyte, an operating temperature of 190 ° C., an oxygen conversion of 0.7 and a hydrogen conversion of 0.9. The reactant conversion (H2 or O2) is the mass flow rate of the reaction means at the anode or the cathode, which is converted during the operation of the cell divided by the mass flow rate of the reactants into the cell. Under these conditions, it was calculated that a carbon paper substrate (manufactured according to the above-mentioned US patent 55) had a porosity of 80%, a thickness of 1.3 mm and a pressure drop from one edge to the other (parallel to the plane of the surface) of 1.3 cm of water at a current density of 0.11 A / cm 2, if the diameter of the carbon fibers were 0.25 mm for the gas distribution layer 60 for oxygen and 0.20 mm for the gas distribution layer for hydrogen. Greater strengths and larger fiber diameters would also be acceptable.

Die Gasverteilerschichten gemäss der vorliegenden Erfindung können auch, wie von der Mandantin anderweitig 65 beschrieben, aus offenzelligem, glasartigem Kohlenstoffschaumstoffbestehen. Gemäss der Ausführungsform der Erfindung können jetzt dünne, flache Trennplatten 16 anstatt der relativ dicken Rippentrennplatten eingesetzt werden. Die Trennplatten können jedoch aus dem gleichen Material gefertigt werden, welches'zur Herstellung der Rippentrennplatten in der Vergangenheit eingesetzt wurde. So können diese Trennplatten z.B. gemäss den in den US-Patentschriften 3801374 und 3634569 beschriebenen Verfahren hergestellt werden. The gas distribution layers according to the present invention can also consist of open-cell, glass-like carbon foam, as described by the client in another way. According to the embodiment of the invention, thin, flat partition plates 16 can now be used instead of the relatively thick rib partition plates. The dividing plates can, however, be made from the same material that was used in the past to produce the ribbed dividing plates. So these dividing plates can e.g. according to the methods described in U.S. Patent Nos. 3801374 and 3634569.

Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Trennschicht 16 mit einer Seite der Oberfläche der porösen Komponenten 24,26 und die Katalysatorschichten 18,20 benachbarter Zellen mit den entgegengesetzten Oberflächen der porösen Komponenten verbunden werden, so dass sie nur noch eine einzige Komponente bilden. Diese Komponenten könnten leicht, mit einer Matrix als Zwischenschicht, aufeinander zu einer Brennstoffzellenanlage aufgebaut werden. Die Katalysatoren können durch eine Anzahl bekannter Verfahren an die porösen Komponenten gebunden werden, wie z.B. durch Aufsprühen, Filtrationsübertragung oder Siebdruck. Falls gewünscht kann auch die Matrix an eine der Katalysatorschichten gebunden werden. Auch könnte eine Hälfte der in zwei geteilten Matrix (mit Bezug auf die Stärke) an den einen Katalysator und die andere Hälfte an den anderen Katalysator gebunden werden. Falls als Matrix mit Harz verbundenes Silikonkarbid eingesetzt wird, könnte diese auch mit dem Siebdruckverfahren, wie in der US-Patentschrift Nr. 4001042 beschrieben an eine der Katalysatorschichten gebunden werden. Die so erhaltenen Brennstoffzellenblöcke könnten zum Aufbau der Anlage aufeinander gelegt werden. Dadurch, dass die einzelnen Schichten miteinander verbunden sind, wird der Oberflächenkontakt zwischen den einzelnen Schichten verbessert, welches zu einer Erniedrigung der Spannungsverluste und zu einer Verbesserung der Stromverteilung durch die Anlage führt. Das Verbinden der einzelnen Schichten ist jedoch für die Ausübung der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich. According to a further aspect of the present invention, the separating layer 16 can be connected to one side of the surface of the porous components 24, 26 and the catalyst layers 18, 20 of adjacent cells to the opposite surfaces of the porous components, so that they only form a single component. These components could easily be built on top of one another with a matrix as an intermediate layer to form a fuel cell system. The catalysts can be attached to the porous components by a number of known methods, such as e.g. by spraying, filtration transfer or screen printing. If desired, the matrix can also be bound to one of the catalyst layers. Also, one half of the matrix split in two (with respect to starch) could be bound to one catalyst and the other half to the other catalyst. If silicone carbide bonded with resin is used as the matrix, this could also be bonded to one of the catalyst layers using the screen printing method as described in US Pat. No. 4001042. The fuel cell blocks obtained in this way could be placed one on top of the other to build the plant. The fact that the individual layers are connected to one another improves the surface contact between the individual layers, which leads to a lowering of the voltage losses and to an improvement in the current distribution through the system. However, the joining of the individual layers is not necessary for the practice of the present invention.

Die Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäss dieser Ausführungsform wird keine separate Elektrolytspeicherschicht verwendet und hierdurch eignet sich diese Ausführungsform insbesondere für Brennstoffzellen mit ausserhalb der Zelle liegenden Elektrolytspeicher. Diese Ausführungsform kann jedoch auch eingesetzt werden, falls die Gasverteilerschicht eine beliebige Porengrössenverteilung in beliebiger Verteilung durch die gesamte Schicht aufweist, so dass überschüssiger Elektrolyt in den kleinen Poren gespeichert wird, wohingegen die grösseren Poren offen bleiben. FIG. 2 shows a further embodiment of the present invention. According to this embodiment, no separate electrolyte storage layer is used and this embodiment is therefore particularly suitable for fuel cells with electrolyte storage located outside the cell. However, this embodiment can also be used if the gas distribution layer has any pore size distribution in any distribution throughout the entire layer, so that excess electrolyte is stored in the small pores, whereas the larger pores remain open.

Die Figur 2 zeigt elektrochemische Zellen 100, welche aufeinander liegen und so die Zellenanlage bilden. Einf -'e Zelle 100 umfasst ein Paar Gasverteilerschichten 102, eme Anodenkatalysatorschicht 104 und eine Kathodenkatalysatorschicht 106. Im Zwischenraum zwischen den Katalysatorschichten ist eine Elektrolytmatrixschicht 108 angeordnet. Zwischen benachbarten Zellen 100 sind Gastrennplatten 110 vorgesehen. Die Gasverteilerschichten auf einer jeden Seite der Trennplatte 110 befinden sich im wesentlichen in ununterbrochenem Kontakt mit den entgegengesetzten Oberflächen 112,114 der Trennplatte. FIG. 2 shows electrochemical cells 100 which lie on top of one another and thus form the cell system. An open cell 100 comprises a pair of gas distribution layers 102, an anode catalyst layer 104 and a cathode catalyst layer 106. An electrolyte matrix layer 108 is arranged in the space between the catalyst layers. Gas separation plates 110 are provided between adjacent cells 100. The gas distribution layers on each side of the partition plate 110 are substantially in continuous contact with the opposite surfaces 112, 114 of the partition plate.

Gemäss dieser Ausführungsform ist eine jede Katalysatorschicht 104,106 an die Oberfläche der ihr zugeordneten Gasverteilerschicht 102 gebunden, so dass eine Anode bzw. eine Kathode gebildet wird. Falls die Poren der Gasverteilerschicht zu gross sind, können unannehmbare Mengen Katalysator bei der Auftragung in die Gasverteilerschicht gelangen. Gemäss Figur 2 wird dies dadurch vermieden, dass die Gasverteilerschicht 102 auf der der Trennplatte 110 zugewandten Seite eine relativ dicke, grossporige Schicht 116 und auf der dem Katalysator zugewandten Seite eine dünnere, feinporige Schicht 118 aufweist. Die Eigenschaften der Gasverteilerplatte According to this embodiment, each catalyst layer 104, 106 is bonded to the surface of the gas distribution layer 102 assigned to it, so that an anode or a cathode is formed. If the pores of the gas distribution layer are too large, unacceptable amounts of catalyst can get into the gas distribution layer when applied. According to FIG. 2, this is avoided in that the gas distribution layer 102 has a relatively thick, large-pore layer 116 on the side facing the separating plate 110 and a thinner, fine-pore layer 118 on the side facing the catalyst. The properties of the gas distribution plate

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sollten so bemessen sein, dass die Dicke, die Anzahl der Poren und die Porengrösse der grossporigen Schicht 116 einen im wesentlichen freien Durchfluss von Reaktionsgas sowohl in senkrechter als auch in paralleler Richtung zu den Oberflächen der Verteilerschicht erlauben. Die grossporige Schicht der Gasverteilerschicht 102 kann aus dem mit Bezug auf die Gasverteilerschicht 26 aus Figur 1 beschriebenen Material bestehen. Die Katalysatorschichten 104 bzw. 106 können ohne ein Eindringen von wesentlichen Mengen an Katalysatormaterial in die Gasverteilerschicht 102 auf die Oberfläche 120 der feinporigen Schicht 118, welche eine Stärke von weniger als 0,5 mm aufweisen sollte, aufgebracht werden. Hierdurch kann eine maximal auswertbare Katalysatoroberfläche erhalten werden. Die Schichten 116,118 können aus dem gleichen Material hergestellt werden. So können diese Schichten z.B. wie weiter oben beschrieben aus offenzelligem, glasartigem Kohlenstoffschaumstoff bestehen. Die grossporige Schicht 116 könnte auch aus offenzelligem glasartigem Kohlenstoff-schaumstoff und die feinporige Schicht könnte, gemäss bekannten Verfahren zur Herstellung von Elektrodensubstrat- should be dimensioned such that the thickness, the number of pores and the pore size of the large-pore layer 116 allow a substantially free flow of reaction gas both in the vertical and in the parallel direction to the surfaces of the distributor layer. The large-pore layer of the gas distribution layer 102 can consist of the material described with reference to the gas distribution layer 26 from FIG. 1. The catalyst layers 104 and 106 can be applied to the surface 120 of the fine-pored layer 118, which should have a thickness of less than 0.5 mm, without the penetration of substantial amounts of catalyst material into the gas distribution layer 102. In this way, a maximum evaluable catalyst surface can be obtained. Layers 116, 118 can be made from the same material. So these layers can e.g. consist of open-cell, glass-like carbon foam as described above. The large-pore layer 116 could also be made of open-cell, glass-like carbon foam and the fine-pore layer could, according to known methods for producing electrode substrates.

material, welches mit einem Katalysatorüberzug versehen werden kann, wie z.B. in der US-Patentschrift 3972735 beschrieben, hergestellt werden. Als feinporige Schicht kann eine separate Schicht eingesetzt werden, oder aber die feinporige 5 Schicht kann durch eine geeignete Tränkung, zu einer geringen Tiefe, der dem Katalysator zugewandten Seite der grossporigen Schicht 116 ausgebildet werden, wobei durch die Tränkung die Porengrösse an der dem Katalysator zugewandten Oberfläche der grossporigen Schicht 116 erniedrigt wird, io Wie schon mit Bezug auf Figur 1 angegeben, können auch die verschiedenen Komponenten und Schichten gemäss diesem Aspekt der Erfindung aneinander gebunden werden. Um zu entscheiden, ob auf der dem Katalysator zugewandten Seite der Gasverteilerschicht 102 eine feinporige Oberfläche benö-15 tigt wird, hängt von verschiedenen Faktoren wie 1. ob und gemäss welchem Verfahren die Katalysatorschicht auf die Oberfläche der Gasverteilerschicht aufgebracht (i.e. gebunden) wird; 2. der Zusammensetzung der Katalysatorschicht, und 3. der Porengrösse der grossporigen Schicht 116 ab. material which can be provided with a catalyst coating, e.g. described in U.S. Patent No. 3972735. A separate layer can be used as the fine-pore layer, or the fine-pore 5 layer can be formed by a suitable impregnation to a shallow depth on the side of the large-pore layer 116 facing the catalyst, the impregnation causing the pore size on the side facing the catalyst Surface of the large-pore layer 116 is lowered, io As already indicated with reference to FIG. 1, the various components and layers can also be bound to one another in accordance with this aspect of the invention. In order to decide whether a fine-pore surface is required on the side of the gas distribution layer 102 facing the catalyst, various factors such as 1. whether and by which method the catalyst layer is applied (i.e. bound) to the surface of the gas distribution layer; 2. the composition of the catalyst layer, and 3. the pore size of the large-pore layer 116.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. Fuel cell system, consisting of a number of fuel cells, each cell having an anode catalyst layer, a cathode catalyst layer and an electrolyte chamber between these two catalyst layers, characterized in that each cell (12) has a pair of gas distributor layers (28, 30) having a first and a second opposite surface, the first surfaces of the two gas distribution layers (28,30) of adjacent cells facing each other and a continuous layer of a gas impermeable material (16) between and in continuous contact on these two first surfaces, and wherein the second surface of one of the gas distribution layers (28 and 30) in continuous contact on the cathode catalyst layer (20) of one of the fuel cells (12) and the second surface of the other gas distribution layer (28 and 30) in continuous contact on the anode catalyst layer (18) of neighboring ten cell (12), and wherein the gas distribution layers (28,30) are gas-permeable and dimensioned such that the strength, the number of pores and the pore size ensure a substantially free flow of the reaction gases, both in the vertical and in the parallel direction to the plane of the surfaces of the gas distribution layers, allow.

2. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that at least one of the gas distribution layers (28, 30) has an electrolyte storage layer (32) which is connected to the electrolyte chamber (22) between the catalyst layers (18, 20).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the connection between the electrolyte storage layer (32) and the electrolyte chamber (22) consists of a number of uniformly distributed impregnations (34) made of hydrophilic material.

4. Fuel cell system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the gas distribution layers (28, 30) are bonded to the gas-impermeable material (16) over the entire first surface.

5. Fuel cell system according to claim 4, characterized in that the anode (18) and cathode catalyst layers (20) are bonded over the entire surface to the gas distribution layers (28 and 30) assigned to them.

6, characterized in that the gas distribution layers (28, 30) consist of fibrous carbon paper.

8. Fuel cell system according to one of claims 1 to

6. Fuel cell system according to claim 5, characterized in that each cell (12) in the electrolyte chamber (22) has an electrolyte matrix layer and that this is bound over an entire surface to one of the two catalyst layers (18 or 20) and that the second Surface of the matrix layer is in continuous contact with the other catalyst layer (18 or 20).

7, characterized in that the gas impermeable material (16) consists of a graphite composite.

9. Fuel cell system according to one of claims 1 to

7. Fuel cell system according to one of claims 1 to

8, characterized in that the gas distribution layers (28, 30) have a thin, fine-pored layer (118), which forms the second surface, and a thicker, large-pored layer (116) behind the fine-pored layer (118), the fine-pored layer (118) is dimensioned such that no significant amounts of catalyst penetrate into the gas distribution layers (28,30).